DC conductivity mechanisms in granular nanocomposite films Cux(SiO2)1-x, deposited in Ar gas atmosphere

• Autorzy: Fedotov A. , Swito I. , Patryn A. , Kalinin Y. , Sitnikov A.
• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In the article are presented the results of the study of structure of Cux(SiO2)1-x nanocomposites with a wide range of metallic fraction content and their DC conductivity measured in the temperature range between 3 and 300 K. The Cux(SiO2)1-x thin film samples with 0.36 < x < 0 and thicknesses 3 to 5 μm were fabricated by ion-beam sputtering of the compound Cu/SiO2 target with argon onto the glass ceramic substrate. The as-deposited films displayed their evolution from practically homogeneous (at x < 0.50) to granular (in the range of 0.50 < x < 0.58) structure with x increase where the granules dimensions approached approximately 100 - 200 nm. The study of conductivity have shown that the studied nanocomposite films with x < 0.68 are on dielectric side of metal-insulator transition and possess thermally activated tunneling of electrons between Cu nanoparticles whereas the samples with x > 0.68 indicate the metallic-like character of conductance along the percolating net of Cu nanoparticles inside of silica matrix. In dielectric regime (for nanocomposites with x < 0.68) DC carrier transport is realized by VRH mechanism described by Shklowski-Efros law, by jumps of electrons between Cu nanoparticles.

PL

W artykule przedstawiono rezultaty badań struktury nanokompozytów Cux(SiO2)1-x w szerokim zakresie zawarcia fazy metalicznej and ich DC przewodnictwo zmierzone w zakresie temperatur od 3 do 300K. Cienkie warstwy Cux(SiO2)1-x z 0.36 < x < 0 i grubością 3 I 5 μm były przygotowane poprzez rozpylanie wiązką argonową jonową kompaunda Cu/SiO2 tarczy na podłoże ze szklanej ceramiki. Wszystkie warstwy po napylaniu wykazywały transformację struktury od praktycznie jednorodnej (dla x < 0.50) do granulowanej (0.50 < x < 0.58) gdzie, ze wzrostem x liniowe rozmiary granul osiągają 100-200 nm. Badania przewodnictwa wykazało że nanokompozytowe filmy z x < 0.68 są po dielektrynej stronie przejścia metal-izolator i wykazują termiczne aktywowane tunelowanie elektronów pomiędzy Cu nanocząstkami, w tym czasie jak przy x > 0.68 zauważono przewodność podobną do metalicznej wzdłuż perkolacyjnej sieci nanocząstek Cu wewnątrz matrycy silicydu. W trybie dielektrycznym (dla nanocząstek z x<0.68) transport nośników jest realizowany wg VRH mechanizmu zgodnie z prawem Shklowskiego-Efrosa, poprzez skoki elektronów pomiędzy Cu nanocząstkami.

Słowa kluczowe

EN

DC conductivity; metal-insulator transition; nanocomposites; percolation

PL

przewodnictwo DC; metal przejściowy-izolator; nanokompozyty; przesączanie

• Wydawca: Wydawnictwo Uczelniane Politechniki Koszalińskiej
• Czasopismo: Zeszyty Naukowe Wydziału Elektroniki i Informatyki Politechniki Koszalińskiej
• Rocznik: 2012
• Tom: Nr 4
• Strony: 29--42
• Opis fizyczny: Bibliogr. 19 poz., wykr., rys.

Twórcy

autor

Fedotov A.

• Department of Energy Physics Faculty of Physics Belarusian State University

autor

Swito I.

• Department of Energy Physics Faculty of Physics Belarusian State University

autor

Patryn A.

• Katedra Podstaw Elektroniki Wydział Elektroniki i Informatyki Politechnika Koszalińska

autor

Kalinin Y.

• Department of Solid State Physics Voronezh State Technical University

autor

Sitnikov A.

• Department of Solid State Physics Voronezh State Technical University

Bibliografia

• 1. Y. Imry. Nanostructures and Mesoscopic Systems, edited by W. P. Kirk and M. A. Reed (Academic, New York, 1992).
• 2. Nanotechnology, edited by G. Timp (Springer, New York, 1999).
• 3. P. Zhukowski, T.N. Kołtunowicz, P. Wegierek, J.A. Fedotova, A.K. Fedotov and A.V. Larkin. Formation of Noncoil-Like Inductance in Nanocomposites (Fe0.45Co0,45Zr0,10)x(Al2O3)1-x Manufactured by Ion-Beam Sputtering of Complex Targets in Ar+O2 Atmosphere. Acta Physica Polonica. 120 (1), pp. 43-45. 2011.
• 4. A.M. Saad, А.K. Fedotov, J.A. Fedotova, I.A. Svito, B.V. Andrievsky, Yu.Е. Kalinin, V.V. Fedotova, V. Malyutina-Bronskaya, А.А. Patryn, А.V. Mazanik, and A.V. Sitnikov. Characterization of (Co0.45Fe0.45Zr0.10)x(Al2O3)1–x nanocomposite films applicable as spintronic materials. Phys. stat. sol. (c) 3 (5), pp. 1283–1290. 2006.
• 5. A.M. Saad, A.V. Mazanik, Yu.E. Kalinin, J.A. Fedotova, A.K. Fedotov, S. Wrotek, A.V. Sitnikov and I.A. Svito. AC and DC carrier transport in (FeCoZr)x(Al2O3)1-x nanocomposite films for spintronic applications. SEMINANO 2005, Budapest, Hungary, September 10-12, pp. 321-324. 2005.
• 6. R. Wood. Feasibility of Magnetic Recording at 1 Terabit per Square Inch. IEEE Trans. Magn. 36, pp. 36–42. 2000.
• 7. C. Baker, S. K. Hasanain, S. Ismat Shaha. The magnetic behavior of iron oxide passivated iron nanoparticles. J. Appl. Phys. 96 (11) pp. 6657-6662. 2004.
• 8. Xianghui Huang and Zhenhua Chen. Preparation of CoFe2O4/SiO2 nanocomposites by sol–gel method. Journal of Crystal Growth, 271(1-2), pp.287-293. 2004.
• 9. Yu.E. Kalinin, A.N. Remizov, and A.V. Sitnikov. Electric propertries of amorphous nanocomposites (Co45Fe45Zr10)X(Al2O3)100-X. Bulletin of Voronezh State Technical University: Material Science, N113, pp. 43-49. 2003.
• 10. Grimmet G. Percolation. (Berlin: Springer-Verlag, 2nd ed., 1999).
• 11. J. V. Kasiuk, J. A. Fedotova, M. Marszalek, A. Karczmarska, M. Mitura-Nowak, Yu. E. Kalininc, and A. V. Sitnikov. Effect of Oxygen Pressure on Phase Composition and Magnetic Structure of FeCoZr–Pb(ZrTi)O3 Nanocomposites. Physics of the Solid State 54 (1), pp. 178–184. 2012.
• 12. W. Chen, J. J. Lin, X. X. Zhang, H. K. Shin, J. S. Dyck et al. Electrical conductivity and thermopower of Cu–SiO2 nanogranular films. Appl. Phys. Letters 81 (3), pp. 523-525. 2002
• 13. X. X. Zhang, Chuncheng Wan, H. Liu, Z. Q. Li, and Ping Sheng J. J. Lin. Giant Hall Effect in Nonmagnetic Granular Metal Films. Phys. Ren. Letters 86 (24), pp. 5562-5565. 2001.
• 14. I.D. Kosobudski, A.S. Dzhumaliev, K.V. Zapsis, N.M.Ushakov. Copper-containing nanocomposites. Synthesis and the composition study. Letters to J. of Thechn. Physics. 30 (11), pp. 94-98. 2004.
• 15. S. Banerjee and D. Chakravorty. Electrical resistivity of copper-silica nanocomposites synthesized by electrodeposition. J. Appl. Phys. 84, pp. 1149-1151. 1998.
• 16. A.M. Saad, A.V. Mazanik, Yu.E. Kalinin, J.A. Fedotova, A.K. Fedotov, S. Wrotek, A.V. Sitnikov and I.A. Svito Structure and electrical properties of CoFeZr-aluminium oxide nanocomposite films. Reviews on Advanced Materials Science 8, pp. 152-157. 2004.
• 17. J. Fedotova , J. Przewoznik, C. Kapusta, M. Milosavljević, J.V. Kasiuk, P. Zukrowski, M. Sikora, A.A. Maximenko, D. Szepietowska, K.P. Homewood. Magnetoresistance in FeCoZr-Al2O3 nanocomposite films containing “metal core-oxide shell” nanogranules. J. Phys. D. 44, pp.1-12. 2011
• 18. N.F. Mott and E.A. Devis. Electron processes in noncrystalline materials (Clarendon Press, Oxford,1979).
• 19. Efros A.L., Shklovski B.V. Critical behaviour of conductivity and dielectric constant near the metal-nonmetal transition threshold. Phys. Stat. Sol. (b) 76(2), pp. 475-485. 1986